Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського

“Харківський авіаційній інститут”

ШУВАЛОВ Олександр Олександрович

УДК 629.6.015

МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ АЕРОДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК І ДИНАМІКИ РУХУ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТА У ПОТОЦІ ІДЕАЛЬНОЇ НЕСТИСЛИВОЇ РІДИНИ НАД ЕКРАНОМ

Спеціальність 05.07.01 -

аеродинаміка та газодинаміка літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аеродинаміки і динаміки польоту інженерно-авіаційного факультету Харківського інституту Військово-повітряних сил Міністерства оборони України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Зінченко Анатолій Григорович,

Харківський інститут ВПС України, доцент кафедри.

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, професор Приходько Олександр Анатольович,

Фізико-технічний інститут Дніпропетровського національного університету, завідувач кафедрою,

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Растригін Олександр Олексійович, Центральний науково-дослідний інститут Озброєння та військової техніки Збройних сил України, заступник начальника науково-дослідного управління.

Провідна установа - Національний авіаційний університет.

Захист дисертації відбудеться 18.10. 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 в Національному аерокосмічному університеті імені М.Є.Жуковського “ХАІ” за адресою:

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, ауд. № 307.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету імені Н.Є.Жуковського “ХАІ”.

Автореферат розіслано 16.09.2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Ю.О.Крашаниця ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка математичної моделі руху літального апарата (ЛА) та його вихрового сліду над екраном дає можливість, не прибігаючи до коштовних та тривалих експериментальних робіт і досліджень із літаючими моделями та з моделями в аеродинамічній трубі, виконати аналіз відповідності ЛА, що розробляються, вимогам по забезпеченню стійкості подовжнього руху над екраном, виконати попередню оцінку границь діапазону стійкого польоту, провести об'ємні багатопараметричні дослідження з метою вибору раціональних геометричних параметрів перспективних аеродинамічних компонувань екранопланів, екранолетів та інших апаратів цього класу.

Метою роботи є розробка методики розрахунку аеродинамічних характеристик і динаміки руху ЛА над екраном на основі чисельного моделювання на ЕОМ.

Задачі дослідження, що розв’язано у ході роботи:

- розроблена математична модель динаміки руху ЛА над поверхнею екрана й обрані критерії стійкості в подовжньому русі;

- розроблена математична модель обтікання несучої системи ЛА потоком ідеальної нестисливої рідини над екраном;

- на основі розроблених математичних моделей створена робоча програма розрахунку;

- проведені методичні дослідження з вибору раціональних параметрів робочої програми;

- обґрунтовано вірогідність результатів шляхом зіставлення з експериментальними даними й область застосування розробленої методики;

- виконані приклади чисельного моделювання руху ЛА над екраном та проаналізовані причини нестійкості в подовжньому русі;

- запропоновано заходи що до поліпшення характеристик подовжньої стійкості ЛА над екраном, обґрунтовано їхню ефективність.

Метод дослідження. У роботі як метод розрахунку аеродинамічних характеристик і параметрів руху ЛА над екраном використовується метод дискретних вихорів. Екранний ефект при цьому моделюється шляхом обліку скосу потоку відбитого від поверхні екрана вихрового відрізка. Моделювання руху ЛА над екраном здійснюється шляхом спільного покрокового розв’язку рівнянь динаміки польоту та рівнянь аеродинаміки у нелінійній нестаціонарній постановці.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Тема дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку кафедри аеродинаміки і динаміки польоту інженерно-авіаційного факультету Харківського інституту ВПС України. Результати дисертаційних досліджень становлять практичний інтерес для розробників транспортних засобів, що використовують при русі екранний ефект.

Наукова новизна роботи: - розроблено математичну модель несталого руху ЛА над екраном у потоці ідеальної нестисливої рідини;

- розроблено методику розрахунку нелінійних аеродинамічних характеристик і динаміки руху ЛА над екраном;

- одержано подальший розвиток теоретичних основ забезпечення стійкості подовжнього руху ЛА над екраном.

Практична значимість роботи:

- створено програму розрахунку руху ЛА над поверхнею екрана;

- розроблено рекомендації що до вибору параметрів розрахунку й визначено область застосовності створеної програми;

- виявлені й досліджені особливості руху ЛА над екраном, що впливають на характеристики його подовжньої стійкості;

- запропоновано заходи що до поліпшення характеристик подовжньої стійкості ЛА над екраном та обґрунтовано їх ефективність.

Реалізація результатів роботи. Розроблені автором положення реалізовано:

- у науково-дослідній роботі № 096209, шифр “Результат-208” - опис методики розрахунку характеристик подовжньої стійкості та керованості ЛА у подовжньому русі над екраном, дослідження з обґрунтування вірогідності й області застосовності;

- у навчальному процесі інженерно-авіаційного факультету Харківського Інституту ВПС України - робоча програма розрахунку нелінійних нестаціонарних аеродинамічних характеристик несучої системи ЛА над граничною поверхнею середовищ.

Результати дисертаційної роботи також можливо використати при розробці аеродинамічних компонувань ЛА, призначених для руху над екраном.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися, обговорювалися та одержали позитивну оцінку:

- на VIII Міжнародному Симпозіумі “Методи дискретних особливостей у задачах математичної фізики”, Коктебель, 1999 р. [4];

- на Міжнародній Конференції з швидкісних суден на повітряній подушці та екранопланах - GEM'2000, Санкт-Петербург, 2000 р. [5];

- на семінарах молодих вчених ХАІ, ХІ ВПС (ХІЛ ВПС) , Харків, 1999-2002 рр..;

- на семінарах кафедри “Аеродинаміки та динаміки польоту літальних апаратів” ІАФ ХІ ВПС (ФЗАП ХІЛ ВПС), Харків, 1998, 1999, 2000 рр;

- на конференції ХІ ВПС “Застосування чисельних методів у розв’язку задач прикладної аеромеханіки”, Харків, 2000 р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 3 статті та 2 доповіді, у яких викладені:

- дослідження проблеми стійкості літального апарата над екраном та напрямки її розв’язку [1];

- питання вірогідності результатів й обмеження при застосуванні методу дискретних вихорів у задачах біляекранної аеродинаміки. [2];

- опис математичної моделі руху літального апарата над екраном та приклади її використання при дослідженні ЛА на стійкість у подовжньому русі над екраном [3].

Особистий внесок автора. У роботах, написаних у співавторстві, формулювання проблем, одержання та аналіз результатів виконані спільно. Вибір методу і проведення досліджень виконані автором.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота виконана на 128 сторінках, містить 57 рисунки. Список використаних джерел містить 102 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі на основі аналізу факторів, що впливають на розвиток транспортних засобів, зроблено висновок про високу ефективність ЛА, які рухаються з використанням екранного ефекту. Сформульовано основні причини, що перешкоджають широкому поширенню цього перспективного виду транспорту, запропоновано шляхи розв`язання вказаних проблем, із яких ефективним є розвиток методів чисельного моделювання руху ЛА над екраном і, таким чином, обґрунтовано актуальність роботи; сформульовано мету дослідження, наведено основні положення дисертаційної роботи, викладено наукову новизну, практичну цінність отриманих результатів й стислий зміст роботи по розділах.

У першому розділі розглянуто питання математичного моделювання динаміки польоту літального апарата над екраном та забезпечення його стійкості у подовжньому русі.

У підрозділі 1.1 проаналізовано переваги й недоліки методів моделювання динаміки руху ЛА над екраном, а саме, створення та доведення динамічно подібних літаючих моделей, використання пілотажних стендів, а також математичних моделей динаміки польоту, заснованих на даних експериментальних або розрахункових досліджень. У результаті аналізу зроблено висновок що до ефективності і доцільності використання у роботі математичної моделі руху ЛА над екраном, що основана на спільному покроковому розв’язку рівнянь динаміки твердого тіла та рівнянь аеродинаміки у нелінійній нестаціонарній постановці.

Рис.1 Об'єкт дослідження

У підрозділі 1.2 формулюється постановка задачі дослідження динаміки руху ЛА над екраном. Об'єктом дослідження є недеформований ЛА (рис.1), що здійснює складний просторовий рух над граничною поверхнею середовищ із малою дозвуковою швидкістю під дією аеродинамічної сили, сили тяги силової установки, сили ваги, аеродинамічного моменту, моменту тяги й гіроскопічного моменту. Гранична поверхня середовищ вважається плоскою та недеформованою й іменується екраном.

Вводяться стандартні прямокутні системи координат: земна, зв'язана і швидкісна. Приймається, що повітряне середовище у земній системі координат не рухається.

У загальному випадку потрібно визначити зміну просторової орієнтації ЛА, кінематичних параметрів та траєкторії його руху під дією зазначених сил і моментів. При цьому необхідно розрахувати аеродинамічні характеристики ЛА над екраном з урахуванням розвитку вихрового сліду.

Для розрахунку просторового руху ЛА над екраном під дією зазначених сил і моментів використана система рівнянь динаміки руху твердого тіла в зв'язаній системі координат: |

(1)

де , - маса та тензор інерції ЛА,

- кути тангажу, курсу та крену.

Траєкторія руху ЛА над екраном і зміна його просторової орієнтації визначаються кінематичними рівняннями руху центра мас і обертального руху у формі Ейлера: |

(2)

При розв’язанні системи рівнянь (1) необхідно враховувати складний взаємозв'язок параметрів, що входять у неї: рух ЛА залежить від аеродинамічного навантаження, розвиток вихрового сліду, у свою чергу, залежить від руху ЛА, а на аеродинамічне навантаження впливають обидва ці фактори. При цьому екранний ефект впливає і на аеродинамічне навантаження, і на формування вихрового сліду з проявом істотних нелінійних ефектів. У роботі це здійснюється послідовним покроковим за часом розв`язком рівнянь, що входять у систему.

У підрозділі 1.3 виконано аналіз власних властивостей ЛА над екраном.

Виконано якісний аналіз розвитку подовжнього руху статично стійкого ЛА над екраном після збурення для випадків, коли ЛА не має перехресних зв'язків у подовжньому русі, а також, коли ці зв'язки виявляють себе при виникненні сил та моментів, що відновлюють. Під перехресними зв'язками у подовжньому русі тут розуміється вплив висоти над екраном на момент тангажу і вплив кута атаки на величину піднімальної сили.

На основі аналізу подовжнього збуреного руху ЛА над екраном прийнято умови стійкості:

- умова статичної стійкості за кутом атаки; | (3)

- умова домінування моменту, що відновлює, від зміни кута атаки над моментом від зміни висоти над екраном; | (4)

- умова мінімального рівня перехресних зв'язків у подовжньому русі; | (5)

, де - умова достатнього рівня | (6)

демпфірування коливань для запобігання торкання ЛА поверхні екрана в ході перехідного процесу.

Аналіз умов дозволяє зробити висновки про положення центра мас ЛА, ефективність та розташування горизонтального оперення, діапазон стійких режимів польоту.

Крім врахування зазначених умов при розв`язанні практичних задач необхідно повне моделювання руху ЛА над екраном.

У другому розділі розглянуто питання розрахунку нелінійних нестаціонарних характеристик ЛА над екраном.

У підрозділі 2.1 на підставі аналізу різних методів розрахунку аеродинамічних характеристик ЛА над екраном обґрунтовано вибір моделі потенційної течії ідеальної нестисливої рідини, що дозволяє моделювати рух ЛА над екраном при прийнятних витратах обчислювальних ресурсів.

У підрозділі 2.2 розглянуто постановку нелінійної нестаціонарної задачі обтікання потоком нев'язкої нестисливої рідини несучої системи літального апарата над поверхнею екрана, що зводиться до визначення потенціалу швидкостей, що визначає поле швидкостей і задовольняє граничні умови:

- на твердих поверхнях - умову непротікання;

- на нескінченності - умову спадання збурень;

- на вихровій завісі - кінематичну умову сумісності течії плину та відсутності перепаду тиску;

- на лініях сходу вихрових завіс - умову виконання гіпотези Чаплигіна-Жуковського про скінченність швидкості на гострих крайках.

Ці граничні умови забезпечують єдиність розв`язку розглянутої задачі, при цьому граничні умови на поверхні ЛА та положення вихрової пелени доповнюються початковими умовами й умовою про сталість циркуляції по замкненому контуру, що охоплює ЛА та його вихровий слід. Зміна положення вихрової пелени у просторі визначається з кінематичної умови про її рух по траєкторіях рідких часток.

У підрозділі 2.3 розглянуто виконання граничних умов.

В роботі для розрахунку аеродинамічних характеристик несучих поверхонь використовується метод дискретних вихорів, сутність якого полягає в заміні неперервних вихрових шарів, якими моделюється ЛА і його вихровий слід, системами дискретних вихорів. Параметри течії, що неперервно змінюються у часі, та граничні умови при нестаціонарному обтіканні заміняються ступінчастими приростами за розрахунковий інтервал безрозмірного часу.

При цьому умова потенційності течії поза поверхнями ЛА та його вихрової пелени виконується побудовою гідродинамічно замкнених вихрових схем. У роботі використовується модифікований метод дискретних вихорів. Суть модифікації полягає у тому, що поверхні заміняються подвійними шарами, моделлю яких є замкнені вихрові рамки з постійною циркуляцією по периметру. Гранична умова спадання збурень на нескінченності виконується за рахунок вибору типу гідродинамічної особливості - вихрового відрізка.

Умова на пелені виконується за рахунок того, що вихровий відрізок переміщується з місцевою швидкістю рідких часток.

Умова Чаплигіна-Жуковського про скінченність значення швидкості на заданих лініях сходу вихрових пелен виконується на алгоритмічному рівні шляхом вибору значення циркуляції вихрової рамки пелени, що зійшла у потік, рівним циркуляції приєднаної рамки, що примикає, на попередньому розрахунковому кроці.

Таким чином, при виконанні всіх граничних умов розв’язання задачі обтікання ЛА зводиться до знаходження циркуляцій вихрових рамок, що моделюють його поверхню.

У підрозділі 2.4 розглянуто питання моделювання поверхні екрана у рамках методу дискретних вихорів.

Запропоновано класифікацію різних видів поверхні екрана, введено поняття мікро- і макрохвилястого екранів за ознакою впливу на аеродинамічні та динамічні характеристики ЛА. Проаналізовано переваги та недоліки різних способів моделювання екранного ефекту в методі дискретних вихорів:

- пряме моделювання поверхні екрана вихровими рамками, тобто уявлення ділянки екрана окремим модулем;

- моделювання поверхні екрана шляхом введення в розрахункову схему ЛА додаткових дзеркально відбитих модулів.

В роботі використовується модифікація способу дзеркального відображення, що полягає у тому, що розрахунок індуктивної швидкості (скосу) від кожного вихрового відрізка виконується з урахуванням складової індуктивної швидкості вихрового відрізка, що відбит відносно екрана. Такий підхід дозволив істотно скоротити необхідні обчислювальні ресурси.

Рис.2 Моделювання екранного ефекту шляхом обліку скосу від відбитого вихрового відрізка | Рис.3 До визначення координат відбитої від екрана крапки в зв'язаній системі

Для випадку просторового руху ЛА над екраном (рис. 3) залежність від кута крену, тангажу і висоти над екраном координат довільної точки, що відбита від екрана, має вид:

;

;

. |

(7)

У рамках розглянутого підходу при моделюванні екранного ефекту запропоновано спосіб врахування хвилястості поверхні екрана.

У третьому розділі розглянуто питання дослідження руху ЛА над екраном.

У підрозділі 3.1 описана програма розрахунку нелінійних нестаціонарних аеродинамічних характеристик і динаміки руху ЛА над екраном. При цьому врахування екранного ефекту виконується на алгоритмічному рівні при формуванні матриці коефіцієнтів. Розглянуто основні етапи розв’язання задачі та схему алгоритму розрахунку. Описано функціональні можливості розрахункової програми.

У підрозділі 3.2 наведено методичні дослідження та оцінку вірогідності методики розрахунку. Досліджувалися рівень дискретизації, вплив місць сходу вихрової завіси, засоби моделювання тілесного профілю тонкою несучою поверхнею, вплив радіуса вихорів, а також величини розрахункового кроку сходу вихрової пелени.

Для оцінки вірогідності та визначення обмежень чисельного експерименту по висоті над екраном та куту атаки досліджувалася модель крила прямокутної форми в плані з подовженням =2 із профілем ЦАГІ СР-16-6М (Рис. 4).

Рис.4 Залежності коефіцієнта піднімальної сили від висоти над екраном і кута атаки, що отримані в результаті розрахунку за розробленою методикою (ліворуч) та експерименту (Бєлінський В.Г., Зінчук П.И., 1998 р., праворуч)

На основі аналізу цих залежностей можна зробити висновок про те, що використані у дослідженнях методика і робоча програма мають обмеження по мінімальній відносній висоті над екраном. При обраному варіанті розбивки відносна висота над екраном не повинна бути менша 0,05. Для інших рівнів дискретизації задовільні результати отримані у випадках, коли висота над екраном не менше половини розміру вихрової рамки на задній кромці несучої поверхні.

У випадках, коли зазначена умова не порушується, розроблена методика забезпечує 5...7-процентну точність результатів. Більш точним результатам відповідають кути атаки, що перевищують 4-5 градусів і значення більше 0.1, що відповідає робочим режимам реальних ЛА над екраном.

На основі аналізу отриманих даних можна зробити висновок про те, що при досить великому рівні дискретизації характер зміни Cya при зменшенні висоти над екраном аж до надмалих величин відповідає даним експерименту. При цьому отримання більш точних результатів вимагає ретельного вибору величини радіуса вихору та інших розрахункових параметрів, а також збільшує час розрахунку.

У підрозділі 3.3 розглянуто особливості аеродинаміки і динаміки польоту ЛА над екраном, що зв'язані із забезпеченням стійкості у подовжньому русі:

- істотна нелінійність залежності підйомної силі та моменту тангажу від кута атаки крила над екраном на білянульових кутах атаки, малих і надмалих висотах і, як наслідок, виникнення дифузорного ефекту;

- несприятливий характер інтерференції крила та горизонтального оперення над екраном - дестабілізуюча дія зміни скосів потоку від крила над екраном на горизонтальне оперення при зміні висоти польоту;

- недостатня стабілізуюча дія екранного ефекту для забезпечення стійкості ЛА по висоті в умовах дії збурень;

- реалізація повною мірою сприятливої дії екранного ефекту можлива при надмалих висотах над екраном, що накладає підвищені вимоги до характеристик стійкості в подовжньому русі;

- можливість виникнення резонансних явищ (розгойдування) у подовжньому короткоперіодичному русі, що накладає додаткові вимоги до характеристик демпфірування.

У підрозділі 3.4 розглянуто види прояву нестійкості ЛА над екраном у подовжньому русі і наведено математичне моделювання цих видів з використанням розробленої методики.

Як об'єкт моделювання обрано екраноплан “Орльонок” (рис.5).

Рис.5 Екраноплан “Орльонок” і його схематизація системою дискретних вихорів

Виконано аналіз відповідності даного ЛА критеріям подовжньої стійкості, у результаті якого зроблено висновок про істотне перевищення припустимого рівня перехресних зв'язків у русі по висоті та куту атаки і недостатньої стійкості по висоті над екраном. Остаточний висновок про стійкість можна зробити, ґрунтуючись на результатах моделювання руху ЛА над екраном. У ході моделювання польоту (12 секунд) екраноплана “Орльонок” (за умови, що не працює система стабілізації по висоті і тангажу) була виявлена коливальна (періодична) нестійкість у подовжньому русі, що проявилася у прогресуючому розгойдуванні по висоті й куту атаки, та закінчилася відходом від екрана (рис.6).

Рис.6 Зміна висоти польоту, коефіцієнта піднімальної сили (пунктир), кута атаки і моменту тангажа (пунктир) у ході моделювання польоту ЛА над екраном

Наведено також приклад моделювання руху аперіодично хитливого ЛА над екраном, виконаного по літаковій аеродинамічній схемі з традиційними геометричними співвідношеннями.

У підрозділі 3.5 виконаний аналіз вихрових структур ЛА у польоті над екраном (рис.7), у ході якого виявлені особливості формування вихрового сліду, обумовлені екранним ефектом: явище “розтікання” завіси по поверхні екрана, зменшення інтенсивності згортання завіси у вихрові джгути, збільшення відстані між умовними осями джгутів. Змодельовані вихрові структури в цілому відповідають реальній картині.

У четвертому розділі досліджено питання поліпшення характеристик стійкості та керованості ЛА над екраном.

У підрозділі 4.1 виконано огляд відомих засобів поліпшення характеристик стійкості ЛА над екраном. Сформульовано основні напрямки розв’язування розглянутої проблеми:

- розробка аеродинамічних компонувань, що мають властивість самостабілізації у подовжньому короткоперіодичному русі над екраном;

- розробка і використання систем автоматичного керування;

- використання систем силової гіроскопічної стабілізації.

Виконано аналіз їх переваг і недоліків, а також перераховано заходи щодо поліпшення характеристик стійкості ЛА над екраном у рамках першого напрямку.

У підрозділі 4.2 наведено результати дослідження характеристик керованості ЛА над екраном із використанням розробленої методики. Як орган керування, що досліджується обрано закрилок. На підставі отриманих результатів зроблено ряд висновків, головним з який є висновок про достатню ефективність закрилка крила, що рухається над екраном, як органа керування ЛА по висоті (рис.8).

У підрозділі 4.3 запропоновано та обґрунтовано використання закрилка як поліпшення характеристик стійкості ЛА над екраном. На підставі результатів проведеного чисельного експерименту обґрунтовано можливість руху ЛА над екраном на заданих кутах атаки та висоті над екраном у широкому діапазоні швидкостей. Наведена методика дозволяє розробити програму керування закрилком для ЛА з заданими масовими і геометричними параметрами (рис.9)

У підрозділі 4.4 наведено приклади використання методики для моделювання реакції ЛА над екраном на збурювання, переходу з екранного режиму на режим вільного польоту і виходу на екранний режим із вільного польоту.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється у створенні методики розрахунку аеродинамічних характеристик і динаміки руху літального апарата над екраном; задача вирішена шляхом створення математичної моделі несталого руху ЛА над екраном у потоці ідеальної нестисливої рідини і проведення методичних досліджень та призначена здійснити подальший розвиток теоретичніх основ забезпечення стійкості подовжнього руху ЛА над екраном.

Розрахунковий метод, заснований на спільному покроковому розв`язку рівнянь динаміки твердого тіла та нелінійної нестаціонарної аеродинаміки, дозволяє враховувати практично усі взаємозалежні фактори, що впливають на рух ЛА, не вимагає великих обчислювальних ресурсів, забезпечуючи при цьому необхідну вірогідність одержуваних результатів.

Для розв’язання проблеми подовжньої стійкості ЛА над екраном доцільно використовувати такі умови стійкості, як:

- умова статичної стійкості за кутом атаки;

- умова домінування моменту, що відновлює, від зміни кута атаки над моментом від зміни висоти над екраном;

- умова мінімального рівня перехресних зв'язків у подовжньому русі;

- умова достатнього рівня демпфірування коливань для запобігання торкання ЛА поверхні екрана у ході перехідного процесу.

Прийнята модель потенційної течії ідеальної нестисливої рідини, постановка нелінійної нестаціонарної задачі обтікання несучих поверхонь ЛА над екраном потоком рідини (обчислення потенціалу швидкостей, що визначає поле швидкостей і задовольняє граничним умовам), чисельний метод (модифікований метод дискретних вихорів) дозволяють досить глибоко досліджувати особливості взаємодії ЛА та екрана у подовжньому русі й одержати необхідні результати при прийнятних витратах обчислювальних ресурсів.

Розроблено засіб моделювання екранного ефекту в методі дискретних вихорів (врахування скосу відбитого вихрового відрізка), що забезпечує високу точність математичного моделювання при мінімальних часових витратах на проведення чисельних досліджень, дозволяє моделювати хвилястість поверхні екрана.

Розроблено методику та робочу програму розрахунку руху ЛА над екраном, що дозволяють моделювати рух ЛА над екраном, точність результатів при врахуванні обмежень адекватна задачам досліджень, обмеження, що накладаються за відносною висотою та кутом атаки, не захоплюють їх робочий діапазон. Можливе розширення розрахункової області по висоті над екраном шляхом збільшення рівня дискретизації.

Розроблена методика дає можливість здійснити аналіз особливостей аеродинаміки та динаміки польоту ЛА над екраном, зв'язаних із забезпеченням подовжньої стійкості, виконати моделювання подовжнього руху ЛА над екраном та виявити характеристики стійкості, виконати аналіз вихрових структур ЛА на різних кутах атаки і висотах над екраном, вивчити ефективність органів керування ЛА над екраном, обґрунтувати використання закрилка як засобу поліпшення подовжньої стійкості та розробити програму його керування в залежності від швидкості.

Методика розрахунку аеродинамічних характеристик та динаміки руху ЛА над екраном може бути ефективно використана для розв’язання проблеми подовжньої стійкості руху ЛА над екраном, а також вона надає досліднику можливість здійснити:

- аналіз аеродинамічних компонувань (літакова схема, схема Ліппіша, тандем, утка, і ін.)

- оцінку впливу основних геометричних параметрів (площ, значень подовжень, звужень, кутів стріловигляду, установки, поперечного V, взаємного розташування й ін.) крила й оперення на характеристики стійкості та інші аеродинамічні характеристики;

- оптимізацію параметрів й оцінку ефективності аеродинамічних засобів забезпечення стійкості;

- вибір параметрів органів керування, обґрунтування способів та алгоритмів керування, оцінку ефективності та працездатності системи керування на етапі її розробки;

- розрахунок діапазону висот і швидкостей, у якому забезпечується необхідний рівень запасу стійкості;

- розрахунок складних перехідних режимів польоту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

АНОТАЦІЯ

Шувалов О.О. Методика розрахунку аеродинамічних характеристик і динаміки руху літального апарата у потоці ідеальної нестисливої рідини над екраном. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.01 - аеродинаміка та газодинаміка летальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського, “ХАІ”, Харків, 2002.

Дисертацію присвячено моделюванню руху літального апарата над екраном на основі методу дискретних вихорів у нелінійній нестаціонарній постановці з метою забезпечення стійкості у подовжньому русі. Для моделювання руху використовується розрахунковий метод, заснований на спільному покроковому розв`язку рівнянь динаміки твердого тіла та нелінійної нестаціонарної аеродинаміки, що дозволяє враховувати усі взаємозалежні фактори, що впливають на рух літального апарата. Обґрунтовано критерії динамічної стійкості літального апарата. Моделювання екранного ефекту виконується на алгоритмічному рівні шляхом врахування скосу відбитого дискретного вихору. Визначено співвідношення координат відбитої від екрана точки та кінематичних параметрів літального апарата, запропонований спосіб обліку хвилястості поверхні екрана.

Виконано методичні дослідження й оцінку вірогідності методики розрахунку, досліджено прояв різних видів динамічної нестійкості літального апарата у подовжньому русі над екраном. Проаналізовано особливості аеродинаміки та динаміки польоту літального апарата над екраном. Досліджено особливості формування вихрового сліду літального апарата над екраном. Досліджено питання застосування закрилка для забезпечення стійкості у подовжньому русі над екраном.

Ключові слова: Біляекранна аеродинаміка, аеродинамічні характеристики, чисельне моделювання, метод дискретних вихорів, стійкість у подовжньому русі над екраном.

АННОТАЦИЯ

Шувалов А.А. Методика расчета аэродинамических характеристик и динамики движения летательного аппарата в потоке идеальной несжимаемой жидкости над экраном. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.01 - аэродинамика и газодинамика летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет имени Н.Е.Жуковского, “ХАИ”, Харьков, 2002.

Основными тенденциями развития транспортных средств на современном этапе являются увеличение скорости движения и повышение топливной экономичности. Таким образом, актуальным становится совершенствование летательных аппаратов, использующих при движении экранный эффект. Однако широкому развитию данного класса транспортных средств мешает ряд причин, важнейшей из которых считается проблема обеспечения устойчивости в продольном движении летательного аппарата над экраном. Решение этой проблемы напрямую связано с совершенствованием методов моделирования движения летательного аппарата над экраном.

Диссертация посвящена изучению вопросов моделирования движения летального аппарата над экраном на основе метода дискретных вихрей в нелинейной нестационарной постановке с целью обеспечения устойчивости в продольном движении. Для моделирования движения используется расчетный метод, основанный на совместном пошаговом решении уравнений динамики твердого тела и нелинейной нестационарной аэродинамики. Выбранный подход позволяет учитывать практически все взаимозависимые факторы, влияющие на движение ЛА. Обоснованы критерии динамической устойчивости, представляющие собой условия устойчивости по высоте, по углу атаки, минимального уровня перекрестных связей в продольном движении и условие необходимой степени демпфирования колебаний. Предложена классификация различных видов поверхности экрана, введены понятия микро- и макроволнистого экранов по признаку влияния на аэродинамические и динамические характеристики ЛА. Обоснован выбор способа моделирования экранного эффекта - учет скоса отраженного дискретного вихря. Определено соотношение координат отраженной от экрана точки и кинематических параметров ЛА, предложен способ учета волнистости поверхности экрана.

Выполнены методические исследования и оценка достоверности методики расчета, определены ограничения по параметрам рассчитываемых моделей, исследовано проявление различных видов динамической неустойчивости ЛА в продольном движении над экраном. Проанализированы особенности аэродинамики и динамики полета ЛА над экраном, связанных с обеспечением продольной устойчивости. Исследованы особенности формирования вихревого следа ЛА над экраном. Выполнен анализ направлений решения проблемы устойчивости продольного движения ЛА над экраном, исследована возможность и эффективность применения закрылка как средства обеспечения устойчивости в продольном движении над экраном. На основании результатов проведенных численных экспериментов и предложенного закона управления разработана программа управления отклонением закрылка по скорости полета при фиксированных значениях угла атаки и высоты над экраном. Предложены возможные направления использования разработанной методики.

Ключевые слова: Околоэкранная аэродинамика, аэродинамические характеристики, численное моделирование, метод дискретных вихрей, устойчивость в продольном движении над экраном.

ABSTRACT

Shuvalov A.A. A calculation procedure of aerodynamic properties and motion dynamics of the flying craft in a stream of ideal incompressible fluid above a screen .- A manuscript.

The dissertation for acquirement of academic degree of the candidate of engineering science on the fluid, gas and plasma mechanics (speciality 01.02.05)- National Aerospace University named Zhukovsky, “HAI”, Kharkov, 2001.

The dissertation is devoted to analysis of modeling of WIG Craft motion. The discrete vortexes method in non-linear non-stationary statement is used to ensure of the stability in longitudinal motion. The numerical method based on the joint step-by-step solution of equation of solid dynamics and non-linear non-stationary aerodynamics is used for movement modeling.

This method allows to allow practically all interdependent factors which influence in flying craft motion. The yardsticks of dynamic stability of flying craft are justified. The screen effect modeling is made at on algorithmic level by registration of a taper of reflected discrete vortex. The coordinate ratio of point reflected from the screen and kinematic parameters of flying craft is defined. The methodical researches and veracity estimation of numerical procedure are execute. The way of registration of the screen surface corrugation is offered.

The development of different kinds of dynamic instability of flying craft in longitudinal motion above the screen are investigated. The feature of aerodynamics and dynamics of WIG Craft flight are investigated. The issues of applying of a flap for stability in longitudinal motion above the screen are investigated.

Keywords: WIG Craft aerodynamics, aerodynamic properties, numerical modeling, the discrete vortexes method, stability in longitudinal motion above the screen.